发动机“进气”技术解析

空气是怎样进入发动机气缸的？

以最简单的发动机来举例，空气进入气缸主要有三个“关卡”。第一关空气被吸入进气管（通过空气滤清器），此时空气的流动是被动的。第二关要经过进气歧管将空气分别送入不同的气缸。空气流经歧管的过程看似简单，但在车辆不同负荷状态下，歧管的形状和长度都会对进气效率产生影响。最后一关空气要通过各个气缸进气门才能进入气缸，所以气缸开启的时机和程度也是十分重要的。

气门是如何适时开启的？
对于结构简单的发动机来说，在汽缸盖的内部装有由曲轴驱动的凸轮轴，轴上的凸轮按一定差别的角度布置，当其转动时就会根据气缸的运动适时的开启或关闭气门。然而发动机进气的环境是很复杂的，光做到这些显然只是实现了功能而提不上良好的效果。

最常见的两种增压器及原理
为了增加进气量，提高进气压力是一种行之有效的方法。工程师们在进气歧管的前端安装了一个增压器来实现。增压器根据不同的驱动方式可以分为涡轮增压和机械增压，但其作用都是一样的，即通过将空气或混合器压缩再送入气缸，提高了新鲜气体的密度从而提高发动机性能。
涡轮增压器
涡轮增压器实际上可以说是一个空气压缩机，它利用发动机排出的废气吹动一侧的涡轮，从而带动同轴的另一侧的叶轮转动。转动的叶轮压缩经过空气滤清器进入的新鲜空气，从而使更多气体进入气缸。由此一来发动机的功率得以提高而不用增加排量。

轮增压器并不是完美的。传统自然吸气发动机在气缸下行时进气管内的压力是负的，所以空气被吸入气缸。这一原理与用针管吸水同理。再说增压发动机，涡轮并不是从一开始就可以实现增压效果，而是随着其转速的增加而产生。所以涡轮介入的早或晚直接影响了驾驶感受。
什么是涡轮的介入？
所谓涡轮的介入并不是指涡轮缸刚开始转动，而是只涡轮能够将进气歧管的压力增压至可以促进进气的时刻。实际上涡轮从发动机启动那一刻已经开始转动，只不过在到达一定速度之前并没有增压效果而已。

机械增压器
机械增压器与涡轮增压器有着很大的区别，其通过皮带由曲轴驱动增压器内的转子转动。两个转子交错布置，他们在一端通过齿轮啮合，而本身并不接触。当其中一个转子由曲轴带动旋转时另一个转子也随之转动。他们通过这种方式来增加压力。这种结构就是比较常见的罗茨式机械增压器。

机械增压器也有着自身的问题。其进风量与阻力成正比关系。当压力达到一定程度时，内部叶片受到的阻力也会升高，当阻力达到一定程度时，发动机会承受很大的负荷，严重影响转速的提升。也正是因为这个原因，机械增压器的增压值要低于涡轮增压器。但由于驱动方式的区别不存在涡轮迟滞现象，发动机输出的表现更自然，与自然吸气发动机更接近。
可变进气歧管
发动机在低转速时，使用长且细的进气歧管，有利于增加气流速度和气压强度，从而使得汽油更好的雾化，促进燃烧的效果。而高转速时更粗的歧管可以使进气量提高。

可变气门正时
首先我们要引入一个概念——气门重叠角。所谓气门重叠角就是进气门和排气门同时开启时曲轴所转过的角度。显然发动机高速运转时留给进气和排气的时间更短，因此要求气门重叠角较大。发动机低速运转时的要求相反。这种不同情况下需求不同的问题促使可变气门正时被发明了出来。

可变气门正时机构就是在凸轮轴驱动端设置了一套液压机构，其内转子与凸轮轴相连。ECU根据最佳的参数通过液压控制内转子的转动。这样可以在发动机不同的工况下对凸轮轴的角度进行控制，从而实现的气门开启/关闭时机的改变。目前有进气可变正时和进排气可变正时。

然而可变气门正时只能改变发动机气门的时机，却不能改变单位时间内的进气量。因此这项技术对于动力性能上的帮助并不大。要想获得动力上的提升还要看看下面这项技术。
可变气门升程
什么是气门升程？这就好比水龙头的开关，开的越大单位时间流出的水就越多。所以气门升程就是通过某种手段来增加气门的开度。与气门开启时机相似，发动机在不同工况下对于气门开启程度的需求也不相同。在低速时较小的开度可以增强缸内絮流促进燃烧；而高速时则需要更大的进气量。显然一成不变的气门开度不能满足所有的工况。
因此各个厂商研究了自己的可变气门升程技术，我们以较为熟悉的本田i-VTEC技术为例进行说明。

通俗地讲，可变气门升程就是想办法让气门开的更大，多进一些混合气。本田采用了具有两种角度凸轮的凸轮轴（一个普通凸轮和一个更“凸”的凸轮），它们对应着各自独立的摇臂。当正常驾驶时（中低速），低角度凸轮通过摇臂驱动气门开闭（高角度凸轮驱动的摇臂独立运作，不影响气门）；当发动机以高速运转时，锁销会将将两种摇臂“绑定”的一起，从而实现气门开度的增大。
总结：
进气一直是发动机设计中非常重要的环节之一。虽然这些技术五花八门，应用的位置都不相同。但其目的都是为了使发动机在不同的工况下保持进气顺畅，从而提高燃烧效率。另外这些技术并不是独立存在的，通常它们会同时出现在一台发动机上结合使用以达到更好的效果。